破碎圍巖巷道支護參數設計

張 敏

（汾西礦業曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

隨礦井采深的增加，巷道掘進過程中面臨的圍巖破碎、支護困難等問題更為明顯，如何確保破碎圍巖巷道穩定是礦井生產過程中需要解決的現實問題[1-2]。在破碎圍巖中采用注漿錨桿對圍巖進行控制較為廣泛，在使用過程中仍會面臨預緊力不足等問題，無法滿足破碎圍巖控制需要[3-6]。文中以山西某礦15 號煤層回采巷道掘進為工程背景，根據圍巖巖性特征對破碎圍巖采取的支護參數進行設計，并進行現場應用，有效控制了圍巖變形。

1 工程概況

某礦15 號煤埋深560 m，頂底板巖性以砂質泥巖、泥巖為主。15206 采面回風巷在掘進過程中由于受到DF109 斷層、褶曲影響，圍巖較為破碎。具體煤層頂底板巖性見表1。

表1 頂底板巖性

15206 回風巷設計斷面為矩形（寬×高=4.0 m×2.8 m），掘進長度為1 205 m，原設計支護為錨網索+W鋼帶形式，由于圍巖破碎，巷道變形嚴重，不能確保后續使用安全。具體圍巖變形表現為頂板及巷幫變形量大，巷道由于受到較大的地應力影響，加之選用的支護參數不合理，頂板下沉、巷幫位移量較大，變形呈現出“網兜”狀；巷道底板巖性為泥巖，強度低、完整性差，在較大水平應力下底板即會出現較大的底鼓變形。因此，需要針對巷道掘進實際條件對支護參數進行重新設計。

2 圍巖支護設計

針對巖層破碎，圍巖變形量大問題，提出注漿+錨網索支護形式對圍巖進行控制，注漿采用新型注漿膨脹錨桿。

2.1 注漿膨脹錨桿設計

采用的注漿膨脹錨桿具體結構見圖1。采用位于端頭的膨脹套管產生膨脹力，從而給錨桿以足夠的錨固力，提升錨桿圍巖控制能力。桿體上有出漿孔，通過注漿使錨桿與圍巖成為一體，在提高圍巖自身穩定性的同時增加錨桿與圍巖摩擦力。

圖1 注漿膨脹錨桿具體結構

2.2 支護參數設計

具體圍巖支護參數采用“錨索+注漿膨脹錨桿+W 鋼帶+鋼筋網”形式，并采用工程類比法確定巷道支護參數，具體支護設計見下頁圖2。

1）錨索。在巷道頂板兩端布置錨索（Φ17.8 mm×9 000 mm），外插角為15°，材質為鋼絞線。錨索的極限抗拉強度為1 900 MPa 以上，間排距設計為3 500 mm×1 500 mm。

圖2 巷道支護斷面（單位：mm）

2）注漿膨脹錨桿。受到斷層、褶曲影響，巷道掘進范圍內圍巖破碎，因此在頂板及巷幫均采用注漿膨脹錨桿，錨桿桿體直徑為24 mm、長度為2 400 mm，配套采用高強螺母。采用M20 水泥砂漿注漿，間排距分別為800 mm、1 000 mm，預先施加的預緊力力矩為450 N·m，錨桿桿體末端外露長度在20～45 mm 之間。

3）W 鋼帶。在巷道頂板及巷幫均采用規格為3 600 mm×280 mm×5 mm 的高強5 孔W 鋼帶對圍巖進行控制。

4）鋼筋網。在頂板、巷幫支護采用的鋼筋網采用Φ6.5 mm 鍍鋅鋼絲編織而成，長、寬分別為2 000 mm、1 100 mm，兩個相鄰的鋼筋網搭接長度在150 mm 以上。

2.3 支護模擬分析

用FLAC3D 分析支護參數，模型長、寬、高分別為180 m、80 m、83.5 m，分析設計巷道支護參數圍巖控制效果。

具體巷道原支護以及現支護方案圍巖受力云圖見圖3。從圖中看出，原支護及新支護時巷道圍巖受力變形不顯著，但在新的支護方案下頂板及巷幫受力變化不明顯，頂板應力降低明顯，從-20 MPa 降低至-15 MPa，巷幫應力也有顯著降低，表明新的巷道支護參數較原支護參數更為合理。此外，當圍巖破碎時巖層對受到的圍巖應力較為敏感，較小的圍巖應力即會造成巷道較大變形，降低巷道周邊圍巖應力可以顯著降低巷道圍巖變形量。從模擬結果得知，新設計的巷道支護參數可以滿足礦井15206 回風巷圍巖控制需要，確保巷道后續使用安全。

圖3 巷道圍巖受力（MPa）云圖

3 圍巖支護效果分析

待巷道采用設計的支護參數支護完畢后，在支護段內每隔25 m 布置一個測站，共計布置4 個測站對破碎巷道圍巖變形量進行監測，具體結果見圖4。

圖4 圍巖變形監測結果

從監測結果看出，15206 回風巷采用新設計的支護方案對圍巖控制后，巷道圍巖變形在初期變化較大，支護完成50 d 后圍巖變形量逐漸趨于穩定。最終穩定后的巷道頂板、底板、左側幫及右側幫圍巖變形量分別為70 mm、300 mm、105 mm 及120 mm，巷道圍巖整體變形量不大。綜合圍巖變形監測結果得知，采用設計的巷道支護參數可以滿足15206 回風巷破碎圍巖控制需要。

4 結論

針對礦井15206 回風巷圍巖破碎問題，采用模擬分析、工程類比以及現場實測等技術手段，對巷道圍巖支護參數進行設計研究，取得如下主要結論：

1）巷道圍巖破碎時確保圍巖穩定是降低圍巖變形量的一個重要方面，采用新型的膨脹注漿錨桿通過注漿可以將破碎巖層膠結成一個整體，在錨桿、圍巖共同作用下來抵抗圍巖應力，同時在錨桿端頭采用的膨脹套筒提供的膨脹力提升了錨桿錨固力，可以給錨桿施加更大的預緊力。

2）具體采用錨索、注漿膨脹錨桿、錨網及W 鋼帶對巷道圍巖進行控制，并詳細設計了巷道支護參數，后采用FLAC3D 對支護效果進行分析，采用設計的巷道支護參數可以降低圍巖應力集中程度，從而降低破碎圍巖巷道變形量。現場應用后，頂板、底板、巷幫最大變形量為70 mm、300 mm、120 mm，圍巖變形量在安全范圍內，不會給巷道后續使用帶來安全影響。